半導體泵浦圓盤雷射器將YAG雷射器推向新時代

2020-12-05 OFweek維科網

　　光束質量方面的優勢

　　在談及光束聚焦能力和雷射在工件上的功率密度時，光束質量問題就變得十分重要了。但是，光束必須首先被聚焦到光纖中，在確定傳輸光束的光纖大小時，光束質量是最重要的因素。光束質量, 有時也稱「光束參數積」,或BPP,是光束半徑和光束半發散角的積,用毫米-毫弧度表達。 對將光束聚焦進光纖而言，光束半徑是指聚焦光束在光纖入口處的半徑，而光束半發散角則等於耦合光束的半角。為了產生較穩定的雷射裝置，在光纖入口處的聚焦光斑必須小於光纖芯徑, 要小到可以用即插即用的方式更換光纖(在現場更換光纜，而無需進行任何調節的能力)。

　　纖芯直徑(φc)與在工件上的聚焦光斑(d)有直接關係，因此與也功率密度有關，這種關係可用下式表示：

　　d =φc (f/fc)

　　其中，f是聚焦光學系統的焦距，fc是準直光學系統的焦距。

　　因此,纖芯直徑越小,聚焦光斑的直徑也越小。但是，光有聚焦成小光斑的能力是不夠的。還要考慮功率密度問題。功率密度(Pd)是指：單位聚焦光斑面積的雷射功率(P)(面積=πd2/4)

　　Pd =4 P /πd2

　　所以，當將半導體泵浦圓盤雷射器(Trumpf型號HLD 4002, 在工件上的功率高達4千瓦， 直徑光纖為200μm)與燈泵棒狀雷射器(Trumpf 模型 HL 4006,在工件上的功率高達4千瓦， 直徑光纖為600μm)進行光斑大小和功率密度比較時，光束質量的優越性，就可通過所產生的功率密度或焦距清楚地看出。

　　較高的功率密度可用來產生高速、較狹的焊縫，或者通過採用長焦距透鏡，產生低速、較寬的焊縫。與短焦距透鏡相比，採用長焦距透鏡的好處是：它使加工光學元件能遠離焊接煙霧和濺汙, 而且產生了大得多的聚焦深度(或較大的加工窗口)。

　　對焊接應用來說，最有意義的聚焦深度關係(景深)是所謂的5%定義。 5%聚焦深度(L5%)定義為這樣的一個範圍，在這個範圍內，光斑大小變化不超過5%。換句話說，如果「在焦點」的光斑為0.1毫米, 聚焦深度為5%的話，則光斑大小不會大於0.105毫米。L5%依賴於聚焦光斑大小(d)、輸出光束質量(BQexit)和雷射波長(λ，燈泵YAG為1064nm，半導體泵浦圓盤雷射器為1030nm),它們之間的關係可用下式表示：

　　L5% = d2/(6λBQexit)

　　因此，任何雷射器的光束質量可直接說明它的聚焦能力，及光斑大小、焦距和聚焦深度等相關參數。

　　遠距離焊接

　　幾年來，在CO2雷射器領域中，焊接零件的獨特概念一直在發展。這種焊接過程(它以遠距離焊接聞名於世)僅在增加功率並具有很好的光束質量(如Trumpf TLF 6000 HQ,6千瓦雷射器，近高斯分布)時，才有可能實現。由於圓盤雷射器的光束質量很好，遠距離焊接也可以用YAG雷射器實現。

　　不像CO2雷射器遠距離焊接系統那樣，需採用具有飛行光學元件的桶架式結構來傳送光束， YAG遠距離焊接可利用纖維光學的光束傳送能力,將光耦合到裝在機械手上的掃描頭上。在CO2和YAG遠距離焊接之間有許多差別，在評估任何遠距離焊接系統時，這些差別應該考慮。它們也為進一步研究和分析提供了線索。

　　圓盤雷射器的極好光束質量允許光束通過更小直徑的光纜傳送，因此，在給定的焦距，可產生更小的聚焦光斑直徑(用於快速加工的功率密度更高), 或者，對給定的聚焦光斑大小，可產生更大的加工景深(更大的加工窗口，更穩定和更遠的焊接能力)。
 
 

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